EP1247607A2 - Verfahren zur Herstellung von Verbundaufbauten zwischen metallischen und nichtmetallischen Materialien - Google Patents

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EP1247607A2
EP1247607A2 EP02405228A EP02405228A EP1247607A2 EP 1247607 A2 EP1247607 A2 EP 1247607A2 EP 02405228 A EP02405228 A EP 02405228A EP 02405228 A EP02405228 A EP 02405228A EP 1247607 A2 EP1247607 A2 EP 1247607A2
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EP
European Patent Office
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rivets
metallic
base body
metallic material
composite structure
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP02405228A
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English (en)
French (fr)
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EP1247607A3 (de
Inventor
Reinhard Fried
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General Electric Technology GmbH
Original Assignee
Alstom Technology AG
Alstom Schweiz AG
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Publication date
Application filed by Alstom Technology AG, Alstom Schweiz AG filed Critical Alstom Technology AG
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Publication of EP1247607A3 publication Critical patent/EP1247607A3/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01D—NON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
    • F01D5/00—Blades; Blade-carrying members; Heating, heat-insulating, cooling or antivibration means on the blades or the members
    • F01D5/12—Blades
    • F01D5/28—Selecting particular materials; Particular measures relating thereto; Measures against erosion or corrosion
    • F01D5/284—Selection of ceramic materials
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K20/00—Non-electric welding by applying impact or other pressure, with or without the application of heat, e.g. cladding or plating
    • B23K20/16—Non-electric welding by applying impact or other pressure, with or without the application of heat, e.g. cladding or plating with interposition of special material to facilitate connection of the parts, e.g. material for absorbing or producing gas
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01D—NON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
    • F01D5/00—Blades; Blade-carrying members; Heating, heat-insulating, cooling or antivibration means on the blades or the members
    • F01D5/12—Blades
    • F01D5/28—Selecting particular materials; Particular measures relating thereto; Measures against erosion or corrosion
    • F01D5/288—Protective coatings for blades
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K2101/00—Articles made by soldering, welding or cutting
    • B23K2101/001—Turbines
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y10—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC
    • Y10T—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER US CLASSIFICATION
    • Y10T428/00—Stock material or miscellaneous articles
    • Y10T428/12—All metal or with adjacent metals
    • Y10T428/12451—Macroscopically anomalous interface between layers

Definitions

  • the invention relates to a method for producing composite structures between metallic and non-metallic materials, especially for the Gas and steam turbine construction and one manufactured by the process Composite structure between a metallic and a non-metallic Material.
  • a metallic surface of a base body by means of plasma or flame spraying an adhesive layer with as rough as possible Sprayed on surface.
  • the roughness of the surface serves the form-fitting Anchoring those that are also plasma or flame sprayed onto this surface
  • Thermal insulation layer made of a non-metallic material. Because of the very different coefficients of thermal expansion between metals and These connections succeed in non-metallic materials, such as ceramics usually only up to a layer thickness of ⁇ 500 ⁇ m.
  • thermal barrier coating also called thermal barrier coating (TBC).
  • TBC thermal barrier coating
  • Known methods for producing holding structures for ceramic Thermal insulation layers are in addition to the described plasma or Flame spraying of adhesive layers, for example die sinking EDM Laser water jet electron beam modeling, soldering and sintering Particles (DE 195 45 025 A1) or the production of a co-molded, in essential network-like skeleton structure on the surface of the base body (EP 0 935 009 A1).
  • the composition of the welded material is advantageous basically freely selectable. This can largely depend on the local situation, e.g. B. regarding oxidation and corrosion.
  • known cast-on structure EP 0 935 009 A1 consists of the same material as the substrate.
  • the cast structure is a continuous network, within which there are individual ceramic islands after coating.
  • the welded structures on the other hand, have a continuous ceramic mesh on with individual metal islands, which has a positive effect on the properties of the layer effect. So are in particular the lower heat conduction, the lower the Metal surface exposed to oxidation and better anchoring of the Ceramic layer in the welded structures compared to the cast net-like structures.
  • a disadvantage of this known method for producing the welded Holding structures, with the ball or mushroom-like anchor points by means of arc welding formed by melting the welding wire and on the Basic body to be welded on is that the formation of anchor points in several welding phases must be divided, which is a complicated one Require control of the welding process.
  • the invention tries to avoid this disadvantage.
  • the advantage here is that the welding process is very easy and fast is realized and through the use of differently shaped rivets an adaptation of the anchor points in their shape and size to the different layer thicknesses can be made for the composite structure can.
  • Another advantage of these processes is that damaged composite structures can be easily repaired can not, because the composite structure, especially the gas or steam turbine more dismantled and sent for repair, but a direct one Repairs can be made on site. It is for such a repair only necessary that the prefabricated rivets must be in stock and a appropriate welding device is available.
  • the object of the invention is achieved in that the adhesive layer individual prefabricated rivets with a bridge and a head (Anchor points), which with the web on the surface of the Basic body are welded on.
  • a metallic base body 2 is applied with an adhesive layer 3, which is formed from individual anchor points, here called Rivets 4, on the then a non-metallic material 5 is then applied.
  • the Base body 2 can be made, for example, from the materials IN 738, IN 939, MA 6000, PM 2000, CMSX-4, MARM 247 or the like and the Rivets 4 made of the materials MCrAIY, SV 20, SV 34, Haynes 214, IN 625, 316 L or the like. There are any material combinations possible.
  • the adhesive layer 3 is made by a welding process, specifically made a resistance welding process.
  • the first step of the method according to the invention is that First the Rivets 4 are prefabricated. This can e.g. B. by casting or Forging done.
  • the prefabricated rivets 4 have a mushroom-shaped structure and have a web 8 and a head 9 on. As can be seen from FIG. 1, the shape of the rivets 4 vary, d. H. they can have different web heights and different web or Have head diameter. It is an advantage if the Rivets 4 one Head diameter 12 of approximately 0.8 mm to 3 mm and a web diameter 13 from approx. 0.5 mm to 2 mm, and a height 11 of approx. 1 mm to 10 mm exhibit. Then there are very good anchorage options for later given non-metallic layer to be applied.
  • Rivets 4 for the machine Further processing sorted, aligned and threaded.
  • Rivets 4 can be made of different materials and combine with each other with different shapes.
  • the threaded Rivets 4 are then introduced into a stud welding device 15 and then Rivet 4 for Rivet 4 with the free end of the web 8 on the Surface 10 of the metallic base body 2 is resistance welded (FIG. 3).
  • the special shape of the Rivets 4 ensures that a corresponding Surface roughness is created, which in the liquid state to be applied non-metallic material 5 with a positive connection the metallic base body 2, i.e. that of the rivets 4 corresponding undercuts 6 in the form of free spaces between the rivets 4 and the base body 2 are formed, into which the non-metallic material 5 flows in or claws and thus a firm connection of the non-metallic material 5 with the metallic material, in particular the Base body 2 is produced.
  • Application of the non-metallic material 5, z. B. ceramics can via known processes, such as the plasma or Flame spraying.
  • a large layer thickness 7 causes, for example, a significant reduction in the Cooling air consumption is achieved, which increases the efficiency of the gas turbine is significantly increased.
  • Adhesive layer 3 are formed as is known from the prior art Applying solder pastes with additional elements or the like is known. So it can be said that depending on the shape and size of the Rivets 4 a corresponding layer thickness 7 for the non-metallic material 5 on the Base body 2 can be applied.
  • the applied, non-metallic Material 5 can withstand a sufficient foreign body impact without the non-metallic material 5 from the metallic material, that is from Basic body 2 to separate or jump off.
  • the non-metallic material 5 by a Foreign body impact can still be blasted off, so it must be ensured that only a slight destruction of the surface of the composite structure 1 takes place.
  • Due to the special production of the adhesive layer 3, in particular the special design of the mushroom-shaped rivets 4, is achieved in one Foreign matter impact is only blown off that material that over the Rivets 4 protrudes, but the non-metallic material 5 between the Rivets 4 is not separated from the composite structure 1. This will only small points of attack formed over the rivets 4 on the base body 2.
  • the layer thickness 7 for the non-metallic material 5 is between 1 mm and 20 mm because this also makes the component very high Resists temperature differences easily.
  • Adhesive layers 3 consisting of individual rivets 4 with a welding robot can be carried out, whereby a quick and targeted positioning of the individual rivets 4 is enabled.
  • a major advantage of these processes is that damaged composite structures 1 a simple repair can be carried out can, since the composite structure 1, in particular the gas or steam turbine, not more dismantled and sent for repair, but a direct one Repairs can be made on site. It is for such a repair only necessary that prefabricated Rivets 4 and a corresponding Welding machine are available. Thus, significant costs such. B. Transport and downtime costs can be saved.
  • the metallic plate consists of the material IN 939 with the following chemical composition: 22.5% Cr, 19% Co, 2% W, 1% Nb, 1.4% Ta, 3.7% Ti, 1.9% A1, 0.1% Zr, 0.01% B, 0.15% C, balance Ni. It forms the metallic base body to be coated with a ceramic layer 5 2.
  • An adhesive layer 3 is applied to the surface 10 of the metallic base body 2 applied.
  • This adhesive layer 3 is formed from rivets 4, which from the highly oxidation-resistant material Haynes 214 (composition: 16% Cr, 2.5% Fe, 4.5% A1, Y, rest Ni) and with a special mushroom shape Bridge 8 and head 9 are prefabricated.
  • the Rivets 4 can with known Process of nail rivet production, mostly by forging, turning, machining how screw wobble shapes are made.
  • the prefabricated rivets 4 have one in the present exemplary embodiment Diameter 12 of the head 9 of 1 mm, a diameter 13 of the web 8 of 0.6 mm and a web height of 1.2 mm on what a total height 11 of Rivets 4 corresponds to 2.2 mm.
  • rivets 4 then become more mechanical Aligned further processing, threaded and into a stud welding device 15 brought in.
  • the Rivets 4 are successively with the free end of the Web 8 on the surface of the metallic base body 2, that is Thermal insulation board, welded on, the distance 14 of two adjacent Heads 9 of the Rivets 4 is approximately 1.5 mm.
  • the distance 14 between two adjacent heads 9 of the rivets 4 advantageously in the range between 1 to 5 times the diameter 12 the Rivets 4 should be. Larger distances 14 are also possible.
  • the plate is then coated with TBC using air plasma spraying.
  • the TBC layer consists of yttrium-stabilized zirconium oxide with the following chemical composition: 2.5% HfO 2 , 7-9% Y 2 O 3 , ⁇ 3% others, rest ZrO.
  • the layer height 6 is approximately 4.5 to 5 mm.
  • a thermal insulation panel coated in this way was subjected to a thermal shock test subjected from 1200 ° C to room temperature.
  • On the TBC side by means of Flame heated (1200 ° C), cooled on the body side by means of compressed air (900 ° C). There were 850 thermal cycles completed without one The TBC layer came off. This shows the excellent ones Anchoring options of the ceramic material 5 in the welded rivets 4 existing adhesive layer 3.

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Verbundaufbauten (1) zwischen metallischen und nichtmetallischen Materialien, wobei auf einer Oberfläche (10) eines metallischen Grundkörpers (2) eine Haftschicht (3) aufgebracht wird, auf die anschliessend ein nichtmetallisches Material (5) aufgetragen wird, und wobei die Haftschicht (3) aus einzelnen, eine pilzähnliche Form mit Steg (8) und Kopf (9) aufweisenden, aufgeschweissten Rivets (4) hergestellt wird. Das Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, dass in einem ersten Verfahrensschritt die pilzförmigen Rivets (4) vorgefertigt werden, in einem zweiten Verfahrensschritt diese Rivets (4) für eine maschinelle Weiterverarbeitung sortiert, ausgerichtet und derart in ein Schweissgerät (15) eingebracht werden, dass in einem dritten Verfahrensschritt die Rivets (4) nacheinander jeweils mit dem freien Ende ihres Steges (8) auf die Oberfläche (10) des Grundkörper (2) aufgeschweisst werden und somit die Ankerpunkte für das nichtmetallische Material (5) bilden. Die Erfindung betrifft auch die nach dem Verfahren hergestellten Verbundaufbauten (1). <IMAGE>

Description

Technisches Gebiet
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Verbundaufbauten zwischen metallischen und nichtmetallischen Materialien, insbesondere für den Gas- und Dampfturbinenbau sowie einen nach dem Verfahren hergestellten Verbundaufbau zwischen einem metallischen und einem nichtmetallischen Material.
Stand der Technik
Der Aufbau von Verbundaufbauten aus metallischen und nichtmetallischen Materialien, wie beispielsweise das Beschichten von metallischen Bauteilen im Gas- und Dampfturbinenbau mit keramischen Wärmedämmschichten, ist allgemein bekannter Stand der Technik.
Dabei wird auf eine metallische Oberfläche eines Grundkörpers beispielsweise mittels Plasma- oder Flammspritzen eine Haftschicht mit möglichst rauher Oberfläche aufgespritzt. Die Rauhigkeit der Oberfläche dient dem formschlüssigen Verankern der ebenfalls auf diese Oberfläche plasma- oder flammgespritzten Wärmedämmschicht aus einem nichtmetallischen Material. Wegen der sehr unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten zwischen Metallen und nichtmetallischen Materialien, wie Keramiken, gelingen diese Verbindungen üblicherweise nur bis zu einer Schichtdicke von <500 µm.
Die plasma- oder flammgespritzten keramischen Wärmedämmschichten werden auch Thermal Barrier Coating (TBC) genannt. Mit derartigen Wärmedämmschichten versehene Bauteile werden beispielsweise in Brennkammern eingesetzt oder als Gasturbinenschaufeln verwendet.
Bekannte Verfahren zur Erzeugung von Haltestrukturen für keramische Wärmedämmschichten sind neben dem beschriebenen Plasma- oder Flammspritzen von Haftschichten beispielsweise auch das Senkerodieren, das Laser-Wasserstrahl-Elekronenstrahl Modeling, das Löten und Sintern von Partikeln (DE 195 45 025 A1) oder die Anfertigung einer mitgegossenen, im wesentlichen netzartigen Skelettstruktur auf der Oberfläche des Grundkörpers (EP 0 935 009 A1).
Wird der Verbundaufbau mit hochporöser Keramik gespritzt, so können Schichtdicken bis zu 1,5 mm erreicht werden. Diese Keramiken sind jedoch gegen Fremdkörpereinschlag ausserordentlich empfindlich, so dass nur eine sehr kurze Lebenszeit derartiger Verbundaufbauten gegeben ist und diese daher oft ausgetauscht bzw. repariert werden müssen.
Um beispielsweise den Kühlluftverbrauch in einer Gasturbine deutlich zu senken und somit den Wirkungsgrad zu heben, braucht man eine deutlich wirksamere Wärmedämmung, als dies aus dem Stand der Technik, wie beispielsweise aus dem Dokument DE 195 45 025 A1, bekannt ist.
Diese wirksamere Wärmedämmung lässt sich durch die Applikation dickerer TBC-Schichten erreichen. Um eine ausreichende Haftung dieser dicken Schichten auf einem Grundkörper zu gewährleisten müssen aber sehr grobe Haltestrukturen auf der Oberfläche des Grundkörpers erzeugt werden.
Der Anmelderin ist ein Verfahren (DE 100 57 187.5) bekannt, bei dem kugel- oder pilzförmige grobe Haltestrukuren (Ankerpunkte, auch Rivets genannt) auf eine Oberfläche durch einen Schweissprozess, insbesondere Lichtbogen-Schweissprozess hergestellt werden. Dabei wird zur Erzeugung dieser Haltestrukturen ein bevorzugt endloser Schweissdraht abgeschmolzen, wobei der abgeschmolzene Schweissdraht selbst die speziell geformten Ankerpunkte bildet. Derartige aufgeschweisste grobe Ankerpunkte unterscheiden sich deutlich von angegossenen Skelettstrukturen, wie sie aus EP 0 935 009 A1 bekannt sind.
Die Zusammensetzung des aufgeschweissten Materials ist vorteilhafterweise grundsätzlich frei wählbar. Damit kann weitgehend auf die örtliche Situation, z. B. bezüglich Oxidation und Korrosion eingegangen werden. Die aus der Druckschrift EP 0 935 009 A1 bekannte angegossenen Struktur besteht dagegen aus dem gleichen Material wie das Substrat. Ein weiterer grundsätzlicher Unterschied besteht darin, dass die angegossene Struktur ein durchgängiges Netz darstellt, innerhalb dem sich dann nach dem Beschichten einzelne Keramikinseln befinden. Die geschweissten Strukturen weisen dagegen ein durchgehendes Keramiknetz auf mit einzelnen Metallinseln, was sich positiv auf die Eigenschaften der Schicht auswirkt. So sind insbesondere die niedrigere Wärmeleitung, die geringere der Oxidation ausgesetzte Metalloberfläche und die bessere Verankerung der Keramikschicht bei den geschweissten Strukturen im Vergleich zu den gegossenen netzartigen Strukturen zu nennen.
Nachteilig an diesem bekannten Verfahren zur Herstellung der geschweissten Haltestrukturen, bei dem kugel- oder pilzähnliche Ankerpunkte mittels Lichtbogen-Schweissens durch Abschmelzen des Schweissdrahtes gebildet und auf den Grundkörper aufgeschweisst werden, ist, dass die Bildung der Ankerpunkte in mehrere Schweissphasen unterteilt werden muss, welche eine komplizierte Steuerung des Schweissvorganges erfordern.
Darstellung der Erfindung
Die Erfindung versucht, diesen Nachteil zu vermeiden. Ihr liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren für die Herstellung von geschweissten Verbundaufbauten zwischen metallischen und nichtmetallischen Materialien, insbesondere für den Gas- und Dampfturbinenbau sowie einen Verbundaufbau zwischen metallischen und nichtmetallischen Materialien zu schaffen, bei dem einerseits eine grosse Schichtdicke eines nichtmetallischen Materials stabil haftend und unempfindlich gegen Schlageinwirkung auf ein metallisches Material aufgebracht wird und andererseits das Verfahren gleichzeitig einfach zu realisieren ist.
Erfindungsgemäss wird dies bei einem Verfahren gemäss dem Oberbegriff des Patentanspruches 1 dadurch gelöst, dass in einem ersten Verfahrensschritt pilzförmige, aus Steg und Kopf bestehende Rivets vorgefertigt werden, dass in einem zweiten Verfahrensschritt diese Rivets für eine maschinelle Weiterverarbeitung sortiert, ausgerichtet und derart in ein Schweissgerät eingebracht werden, dass in einem dritten Verfahrensschritt die Rivets jeweils mit dem freien Ende des Steges auf die Oberfläche des Grundkörpers aufgeschweisst werden und somit die Ankerpunkte für das nichtmetallische Material bilden.
Vorteilhaft ist hierbei, dass der Schweissprozess sehr einfach und schnell zu realisieren ist und durch die Verwendung von unterschiedlich geformten Rivets eine Anpassung der Ankerpunkte in ihrer Form und Größe an die unterschiedlichen Schichtdicken für den Verbundaufbau vorgenommen werden kann. Ein weiterer Vorteil liegt bei diesen Verfahren vor allem darin, dass bei beschädigten Verbundaufbauten eine einfache Reparatur durchgeführt werden kann, da der Verbundaufbau, insbesondere die Gas- oder Dampfturbine, nicht mehr abgebaut und zur Reparatur versendet werden muss, sondern eine direkte Reparatur vor Ort vorgenommen werden kann. Für eine derartige Reparatur ist es lediglich notwendig, dass die vorgefertigten Rivets vorrätig sein müssen und ein entsprechendes Schweissgerät vorhanden ist.
Weiterhin wird die Aufgabe der Erfindung dadurch gelöst, dass die Haftschicht aus einzelnen vorgefertigten, einen Steg und einem Kopf aufweisenden Rivets (Ankerpunkten) besteht, welche mit dem Steg auf die Oberfläche des Grundkörpers aufgeschweisst sind.
Vorteilhaft ist hierbei, dass eine gezielte Positionierung der Ankerpunkte durchgeführt werden kann, wodurch eine erhebliche Steigerung der Festigkeit eines derartigen Verbundaufbaues erzielt werden kann. Da ausserdem das Material, die Höhe und der Durchmesser der Rivets in weiten Grenzen variierbar und kombinierbar sind (siehe Unteransprüche 3 bis 6), lassen sich die Eigenschaften der Haftschicht vorteilhaft genau an die jeweiligen Beanspruchungsbedingungen anpassen.
Kurze Beschreibung der Zeichnung
In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung in den einzelnen Verfahrensschritten dargestellt.
Es zeigen:
Fig. 1
eine Seitenansicht von vorfabrizierten Rivets mit unterschiedlicher Form;
Fig. 2
eine schematische Darstellung der sortierten, ausgerichteten und aufgefädelten Rivets für die maschinelle Weiterverarbeitung;
Fig. 3
eine schematische Darstellung des Aufschweissens der vorgefertigten Rivets auf die Oberfläche des Grundkörpers und
Fig. 4
eine schematische Darstellung eines fertigen Verbundaufbaus zwischen einem metallischen und nichtmetallischen Material.
Es sind nur die für die Erfindung wesentlichen Merkmale dargestellt.
Wege zur Ausführung der Erfindung
Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen und der Fig. 1 bis 4 näher erläutert.
In den Fig. 1 bis 3 sind die einzelnen Schritte des erfindungsgemässen Verfahrens schematisch dargestellt, während in Fig. 4 der erfindungsgemässe Verbundaufbau beispielhaft abgebildet ist.
Bei derartigen Verbundaufbauten 1, wie speziell aus der Fig. 4 ersichtlich, wird auf die Oberfläche eines metallischen Grundkörpers 2 eine Haftschicht 3 aufgebracht, die aus einzelnen Ankerpunkten, hier Rivets 4 genannt, gebildet wird, auf die dann anschliessend ein nichtmetallisches Material 5 aufgetragen wird. Der Grundkörper 2 kann beispielsweise aus den Materialien IN 738, IN 939, MA 6000, PM 2000, CMSX-4, MARM 247 oder dgl. und die Rivets 4 aus den Materialien MCrAIY, SV 20, SV 34, Haynes 214, IN 625, 316 L oder dgl. bestehen. Es sind beliebige Materialkombinationen möglich.
Die Haftschicht 3 wird erfindungsgemäss durch einen Schweissprozess, und zwar einen Widerstandsschweissprozess hergestellt.
Der erste Schritt des erfindungsgemässen Verfahrens besteht darin, dass zunächst die Rivets 4 vorfabriziert werden. Dies kann z. B. durch Giessen oder Schmieden erfolgen.
Die vorgefertigten Rivets 4 haben eine pilzförmige Struktur und weisen einen Steg 8 und einen Kopf 9 auf. Wie aus Fig. 1 ersichtlich ist, kann die Form der Rivets 4 variieren, d. h. sie können unterschiedliche Steghöhen und unterschiedliche Stegbzw. Kopfdurchmesser haben. Von Vorteil ist, wenn die Rivets 4 einen Kopfdurchmesser 12 von ca. 0,8 mm bis 3 mm und einen Stegdurchmesser 13 von ca. 0,5 mm bis 2 mm, sowie eine Höhe 11 von ca. 1 mm bis 10 mm aufweisen. Dann sind sehr gute Verankerungsmöglichkeiten für die später aufzubringende nichtmetallische Schicht gegeben.
In einem zweiten Verfahrensschritt (Fig. 2) werden die Rivets 4 für die maschinelle Weiterverarbeitung sortiert, ausgerichtet und aufgefädelt. Je nach dem vorgesehenen Einsatzfall lassen sich Rivets 4 aus unterschiedlichen Materialien sowie mit unterschiedlicher Form miteinander kombinieren. Die aufgefädelten Rivets 4 werden anschliessend in ein Bolzenschweissgerät 15 eingebracht und dann wird Rivet 4 für Rivet 4 jeweils mit dem freien Ende des Steges 8 auf die Oberfläche 10 des metallischen Grundkörpers 2 widerstandsgeschweisst (Fig. 3).
Durch die spezielle Form der Rivets 4 wird erreicht, dass eine entsprechende Oberflächenrauhigkeit geschaffen wird, wodurch das im flüssigem Zustand aufzutragende nichtmetallische Material 5 eine formschlüssige Verbindung mit dem metallischen Grundkörper 2 herstellt, d.h., dass von den Rivets 4 entsprechende Hintergreifungen 6 in Form von Freiräumen zwischen den Rivets 4 und den Grundkörper 2 gebildet werden, in die das nichtmetallische Material 5 einfliesst bzw. sich verkrallt und somit eine feste Verbindung des nichtmetallischen Materials 5 mit dem metallischen Material, insbesondere dem Grundkörper 2, hergestellt wird. Das Auftragen des nichtmetallischen Materials 5, z. B. Keramik, kann über bekannte Vorgänge, wie das Plasma- oder Flammspritzen, erfolgen.
Wesentlich für die Herstellung eines derartigen Verbundaufbaus 1 ist, dass eine definierte Oberflächenrauhigkeit mit ausreichenden Hintergreifungen 6 hergestellt wird, damit eine hohe Festigkeit und eine ausreichende Schichtdicke 7 für das nichtmetallische Material 5 erzielt werden kann. Eine grosse Schichtdicke 7 bewirkt beispielsweise, dass bei einer Gasturbine eine deutliche Reduzierung des Kühlluftverbrauches erzielt wird, wodurch der Wirkungsgrad der Gasturbine wesentlich erhöht wird. Damit jedoch eine grosse Schichtdicke 7 geschaffen werden kann, muss eine wesentlich grössere Haltestruktur bzw. gröbere Haftschicht 3 gebildet werden, als dies aus dem Stand der Technik durch Auftragen von Lötpasten mit Zusatzelementen oder dgl. bekannt ist. Es kann also gesagt werden, dass in Abhängigkeit von der Form und der Größe der Rivets 4 eine entsprechend Schichtdicke 7 für das nichtmetallische Material 5 auf den Grundkörper 2 aufgetragen werden kann.
Bei derartigen Verbundaufbauten 1, wie sie beispielsweise bei Gas- oder Dampfturbinen eingesetzt werden, sollte das aufgetragenen, nichtmetallische Material 5 einen ausreichenden Fremdkörpereinschlag widerstehen können, ohne dabei das nichtmetallische Material 5 vom metallischen Material, also vom Grundkörper 2, zu trennen bzw. von diesem abzuspringen. Sollte jedoch aufgrund einer zu grossen Krafteinwirkung das nichtmetallische Material 5 durch einen Fremdkörpereinschlag dennoch abgesprengt werden, so ist zu gewährleisten, dass nur eine geringe Zerstörung der Oberfläche des Verbundaufbaues 1 stattfindet. Aufgrund der speziellen Herstellung der Haftschicht 3, insbesondere der speziellen Ausbildung der pilzförmigen Rivets 4, wird erreicht, dass bei einem Fremdkörpereinschlag nur jenes Material abgesprengt wird, welches über die Rivets 4 hinausragt, wobei jedoch das nichtmetallische Material 5 zwischen den Rivets 4 nicht vom Verbundaufbau 1 abgetrennt wird. Dadurch werden nur geringe Angriffspunkte über die Rivets 4 auf den Grundkörper 2 gebildet.
Dies wird insofern erreicht, als dass durch die speziell definierte Ausbildung der Rivets 4 mit Steg 8 und Kopf 9 grossflächige Hintergreifungen 6 und eine definierte Anzahl von Rivets 4 auf einer vorgegebenen Fläche gebildet werden können, so dass das nichtmetallische Material 5, welches die Rivets 4 einbettet, mit diesen eine sehr feste Verbindung herstellt und dieses somit nicht mehr zwischen den einzelnen Rivets 4 vom Grundkörper 2 getrennt werden kann. Eine derartige Darstellung mit einem Fremdkörpereinschlag, bei dem ein Teil des nichtmetallischen Materials 5 abgesprengt ist, ist schematisch im rechten Teil von Fig. 4 dargestellt. Daraus ist ersichtlich, dass das nichtmetallische Material 5 bei einem Fremdkörpereinschlag zwar oberhalb der Rivets 4 abgesprengt ist, jedoch zwischen den Rivets 4 haften bleibt und somit nur ein geringer Wärmeübergang auf den Grundkörper 2 über die Rivets 4 entstehen kann, wodurch eine unerwünschte Zerstörung des Verbundaufbaus 1 im Bereich des Fremdkörpereinschlages verhindert werden kann.
Es ist vorteilhaft, wenn die Schichtdicke 7 für das nichtmetallische Material 5 zwischen 1 mm und 20 mm beträgt, weil dadurch das Bauteil auch sehr hohen Temperaturunterschieden problemlos widersteht.
Selbstverständlich ist es möglich, dass die Erzeugung grossflächiger Haftschichten 3 aus lauter einzelnen Rivets 4 mit einem Schweissroboter durchgeführt werden kann, wodurch eine schnelle und gezielte Positionierung der einzelnen Rivets 4 ermöglicht wird.
Ein wesentlicher Vorteil liegt bei diesen Verfahren vor allem darin, dass bei beschädigten Verbundaufbauten 1 eine einfache Reparatur durchgeführt werden kann, da der Verbundaufbau 1, insbesondere die Gas- oder Dampfturbine, nicht mehr abgebaut und zur Reparatur versendet werden muss, sondern eine direkte Reparatur vor Ort vorgenommen werden kann. Für eine derartige Reparatur ist es lediglich notwendig, dass vorgefertigte Rivets 4 und ein entsprechendes Schweissgerät vorhanden sind. Somit können erhebliche Kosten, wie z. B. Transport- und Stillstandskosten, eingespart werden.
Weiterhin ist es möglich, dass mit einer entsprechenden Vorrichtung gleichzeitig mehrere Rivets 4 auf der Oberfläche 10 des Grundkörpers 2 aufgeschweisst werden, so dass eine erhebliche Zeiteinsparung bei grossflächigen Anordnungen der Rivets 4 erzielt werden kann.
Als konkretes Ausführungsbeispiel wird eine Wärmedämmplatte für eine Gasturbine beschrieben. Die metallische Platte besteht aus dem Material IN 939 mit folgender chemischen Zusammensetzung: 22.5 % Cr, 19 % Co, 2 % W, 1 % Nb, 1.4 % Ta, 3.7 % Ti, 1.9 % A1, 0.1 % Zr, 0.01 % B, 0.15 % C, Rest Ni. Sie bildet den mit einer keramischen Schicht 5 zu beschichtenden metallischen Grundkörper 2. Auf die Oberfläche 10 des metallischen Grundkörpers 2 wird eine Haftschicht 3 aufgebracht. Diese Haftschicht 3 wird gebildet aus Rivets 4, welche aus dem hochoxidationsfesten Material Haynes 214 (Zusammensetzung: 16 % Cr, 2.5 % Fe, 4.5 % A1, Y, Rest Ni) bestehen und in einer speziellen pilzförmigen Form mit Steg 8 und Kopf 9 vorgefertigt werden. Die Rivets 4 können mit bekannten Verfahren der Nagel-Nietherstellung, meist durch Schmieden, Drehen, Zerspanen wie Schraubentaumelformen hergestellt werden.
Die vorgefertigten Rivets 4 weisen im vorliegenden Ausführungsbeispiel einen Durchmesser 12 des Kopfes 9 von 1 mm, einen Durchmesser 13 des Steges 8 von 0,6 mm und eine Steghöhe von 1,2 mm auf, was einer gesamten Höhe 11 der Rivets 4 von 2,2 mm entspricht.
Diese vorgefertigten Rivets 4 werden dann zwecks maschineller Weiterverarbeitung ausgerichtet, aufgefädelt und in ein Bolzenschweissgerät 15 eingebracht. Die Rivets 4 werden nacheinander jeweils mit dem freien Ende des Steges 8 auf die Oberfläche des metallischen Grundkörpers 2, also der Wärmedämmplatte, aufgeschweisst, wobei der Abstand 14 zweier benachbarter Köpfe 9 der Rivets 4 etwa 1,5 mm beträgt.
Allgemein gilt, dass der Abstand 14 zweier benachbarter Köpfe 9 der Rivets 4 vorteilhafterweise im Bereich zwischen dem 1- bis 5-fachen des Durchmessers 12 der Rivets 4 liegen sollte. Grössere Abstände 14 sind ebenfalls möglich.
Nachdem die Rivets 4 aufgeschweisst worden sind und somit die Haftschicht 3 aufgebracht worden ist, wird anschliessend die Platte mit TBC mittels Air Plasma Spraying beschichtet. Die TBC-Schicht besteht aus Yttrium-stabilisiertem Zirkonoxid mit folgender chemischen Zusammensetzung: 2.5 % HfO2, 7-9 % Y2O3, < 3 % andere, Rest ZrO. Die Schichthöhe 6 beträgt ca. 4,5 bis 5 mm.
Eine derartig beschichtete Wärmedämmplatte wurde einem Thermoschocktest von 1200 °C auf Raumtemperatur unterzogen. Auf der TBC-Seite wurde mittels Flamme geheizt (1200 °C), auf der Grundkörperseite mittels Pressluft gekühlt (900 °C). Es wurden 850 Thermozyklen absolviert ohne dass es zu einem Abplatzen der TBC-Schicht kam. Dies zeigt die ausgezeichneten Verankerungsmöglichkeiten des keramischen Materials 5 in der aus den aufgeschweissten Rivets 4 bestehenden Haftschicht 3.
Bezugszeichenliste
1
Verbundaufbau
2
Metallischer Grundkörper
3
Haftschicht
4
Rivet (Ankerpunkt)
5
Nichtmetallisches Material
6
Hinterschneidung
7
Schichtdicke von Pos. 5
8
Steg von Pos. 4
9
Kopf von Pos. 4
10
Oberfläche von Pos. 2
11
Höhe von Pos. 4
12
Durchmesser von Pos. 9
13
Durchmesser von Pos. 8
14
Abstand zwischen zwei benachbarten Köpfen von Pos. 4
15
Schweissgerät

Claims (7)

  1. Verfahren zur Herstellung von Verbundaufbauten (1) zwischen metallischen und nichtmetallischen Materialien, wobei auf einer Oberfläche (10) eines metallischen Grundkörpers (2) eine Haftschicht (3) aufgebracht wird, auf die anschliessend ein nichtmetallische Material (5) aufgetragen wird, und wobei die Haftschicht (3) aus einzelnen, eine pilzähnliche Form mit Steg (8) und Kopf (9) aufweisenden, aufgeschweissten Rivets (4) hergestellt wird, dadurch gekennzeichnet,
    dass die Rivets (4) in einem ersten Verfahrensschritt vorgefertigt werden,
    dass in einem zweiten Verfahrensschritt diese Rivets (4) für eine maschinelle Weiterverarbeitung sortiert, ausgerichtet und derart in ein Schweissgerät (15) eingebracht werden, dass
    in einem dritten Verfahrensschritt die Rivets (4) nacheinander jeweils mit dem freien Ende des Steges (8) auf die Oberfläche (10) des metallischen Grundkörpers (2) aufgeschweisst werden und somit Ankerpunkte für das nichtmetallische Material (5) bilden.
  2. Verbundaufbau (1) zwischen metallischen und nichtmetallischen Materialien, bei dem auf einer Oberfläche (10) des einen Grundkörper (2) bildenden metallischen Materials eine Haftschicht (3) angeordnet ist, auf welche das nichtmetallische Material (5) aufgebracht ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Haftschicht (3) aus einzelnen vorgefertigten pilzförmigen, einen Steg (8) und einen Kopf (9) aufweisenden Rivets (4) besteht, welche mit dem Steg auf die Oberfläche (10) des Grundkörpers (2) aufgeschweisst sind.
  3. Verbundaufbau (1) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Rivets (4) einen Durchmesser (12) des Kopfes (9) von ca. 0,8 mm bis 3 mm und einen Durchmesser (13) des Steges (9) von ca. 0,5 mm bis 2 mm aufweisen.
  4. Verbundaufbau (1) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Rivets (4) eine Höhe (11) von ca. 1 mm bis 10 mm aufweisen.
  5. Verbundaufbau (1) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand (14) zwischen zwei benachbarten Köpfen (9) der Rivets (4) ca. das 1- bis 5-fache des Durchmessers (12) des Kopfes (9) beträgt.
  6. Verbundaufbau (1) nach den Ansprüchen 2 bis 5 dadurch gekennzeichnet, dass der metallische Grundkörper (2) vorzugsweise aus IN 738, IN 939, MA 6000, PM 2000, CMSX-4 und MARM 247, die Rivets (4) vorzugsweise aus MCrAIY, Haynes 214, IN 626, 316 L, SV 20 und SV 34 bestehen und das nichtmetallische Material (5) keramisches Material, vorzugsweise Yttriumstabilisiertes Zirkonoxid, ist.
  7. Verbundaufbau (1) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Schichtdicke (7) für das nichtmetallische Material (5) zwischen 1 mm und 20 mm beträgt.
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